CN101626641A - 空心热源 - Google Patents

Abstract

一种空心热源包括一空心基底；一加热层，该加热层设置于空心基底的表面；以及，至少两个电极，所述至少两个电极间隔设置于加热层的表面，并分别与该加热层电连接；其中，所述的至少两个电极中，至少一个电极包括一碳纳米管结构。

Description

空心热源

技术领域

本发明涉及一种空心热源，尤其涉及一种基于碳纳米管的空心热源。

背景技术

热源在人们的生产、生活、科研中起着重要的作用。空心热源是热源的一种，其特点为空心热源具有一空心结构，将待加热物体设置于该空心结构的空心中对物体进行加热，因此，空心热源可对待加热物体的各个部位同时加热，加热面广、加热均匀且效率较高。空心热源已成功用于工业领域、科研领域或生活领域等，如工厂管道、实验室加热炉或厨具电烤箱等。

空心热源的基本结构通常包括基底和设置在基底上的电热层，通过在电热层中通入电流产生焦耳热使电热层的温度升高进而加热物体。现有的空心热源的电极通常采用一金属片、金属丝、金属膜、铟锡氧化物(ITO)层、锑锡氧化物(ATO)层、导电银胶层或导电聚合物层等。然而，采用金属片、金属丝、金属膜、铟锡氧化物(ITO)层、锑锡氧化物(ATO)层、导电银胶层或导电聚合物层作为空心热源的电极具有以下缺点：第一，该电极的电阻率较大，所以对电能的损耗也较大。第二，该电极的柔韧性和机械强度差，长期折叠容易断裂，使用寿命短，不易应用于柔性空心热源。第三，该电极的密度较大，重量大，使用不便。

有鉴于此，确有必要提供一种空心热源，且该空心热源的电极电阻率较小，柔韧性和机械强度高，长期折叠不易断裂，且密度小，重量轻。

发明内容

一种空心热源包括一空心基底；一加热层，该加热层设置于空心基底的表面；以及，至少两个电极，所述至少两个电极间隔设置于加热层的表面，并分别与该加热层电连接；其中，所述的至少两个电极中，至少一个电极包括一碳纳米管结构。

与现有技术相比较，所述的空心热源具有以下优点：其一，碳纳米管具有极好的导电性，所以该电极的电阻小，有利于降低功耗，提高发热效率。其二，碳纳米管的优异的力学特性使得碳纳米管结构具有很好的柔韧性和机械强度，故，采用碳纳米管结构作电极，可以相应的提高空心热源，尤其是柔性空心热源的耐用性，所以该空心热源使用寿命长；其三，碳纳米管密度小，所以该空心热源重量轻，使用方便。

附图说明

图1为本技术方案第一实施例所提供的空心热源的结构示意图。

图2为图1中沿II-II′线的剖面示意图。

图3为本技术方案实施例的碳纳米管薄膜的扫描电镜照片

图4为本技术方案实施例的束状结构的碳纳米管长线的扫描电镜照片。

图5为本技术方案实施例的绞线结构的碳纳米管长线的扫描电镜照片。

图6为本技术方案第二实施例所提供的空心热源的结构示意图。

图7为图6的沿VII-VII′线的剖面示意图。

图8为本技术方案第三实施例所提供的空心热源的结构示意图。

图9为图8的IX-IX′沿线的剖面示意图。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本技术方案提供的空心热源。

请参阅图1及图2，本技术方案第一实施例提供一种空心热源100，该空心热源100包括一空心基底102；一加热层104，该加热层104设置于该空心基底102的内表面；一反射层108，该反射层108位于加热层104的外围，设置于该空心基底102的外表面；一第一电极110及一第二电极112，第一电极110和第二电极112间隔设置于加热层104的表面，并分别与加热层104电连接；一绝缘保护层106，该绝缘保护层106设置于加热层104的内表面。

所述空心基底102的材料不限，用于支撑加热层104，可为硬性材料，如：陶瓷、玻璃、树脂、石英、塑料等。空心基底102亦可以选择柔性材料，如：树脂、橡胶、塑料或柔性纤维等。当空心基底102为柔性材料时，该空心热源100在使用时可根据需要弯折成任意形状。所述空心基底102的形状大小不限，其具有一空心结构即可，可为管状、球状、长方体状等，可以为全封闭结构，也可以为半封闭结构，其具体可根据实际需要进行改变。空心基底102的横截面的形状亦不限，可以为圆形、弧形、长方形等。本实施例中，空心基底102为一空心陶瓷管，其横截面为一圆形。

所述加热层104设置于空心基底102的内表面，用于向空心基底102的内部空间加热。所述加热层104的材料不限，其可以为金属丝层、电热膜、碳纤维层或碳纳米管层。当采用碳纳米管层作为加热层104时，该碳纳米管层包括多个均匀分布的碳纳米管。该碳纳米管层中的碳纳米管有序排列或无序排列。该碳纳米管层的厚度为0.01微米～2毫米。该碳纳米管层中的碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～10纳米，双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～15纳米，多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。该碳纳米管的长度为大于50微米，优选为200～900微米。该碳纳米管层可以通过粘结剂或分子间力固定于所述空心基底102的内表面。碳纳米管具有良好的导电性能以及热稳定性，作为一理想的黑体结构，且具有比较高的热辐射效率。

所述第一电极110和第二电极112可设置在加热层104的同一表面上也可以设置在加热层104的不同表面上，且与加热层104电连接。所述第一电极110和第二电极112可通过碳纳米管层的粘性或导电粘结剂(图未示)设置于该加热层104的表面上。导电粘结剂在实现第一电极110和第二电极112与碳纳米管层电接触的同时，还可将第一电极110和第二电极112更好地固定于碳纳米管层的表面上。通过该第一电极110和第二电极112可以对加热层104进行施加电压。其中，第一电极110和第二电极112之间相隔设置，以使采用碳纳米管层的加热层104通电发热时接入一定的阻值避免短路现象产生。优选地，将第一电极110和第二电极112环绕设置于加热层104的外表面。

所述的第一电极110和第二电极112中至少一个电极包括一碳纳米管结构。该碳纳米管结构通过导电粘结剂或分子间力固定于所述加热层104的表面，且与加热层104电连接。该碳纳米管结构中的碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。本实施例优选金属性碳纳米管。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～10纳米，双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～15纳米，多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。该碳纳米管的长度为大于50微米。

具体地，该碳纳米管结构包括一有序碳纳米管薄膜或至少两层重叠且交叉设置的有序碳纳米管薄膜，或至少一碳纳米管长线。

当所述碳纳米管结构包括至少一有序碳纳米管薄膜时。请参阅图3，该有序碳纳米管薄膜可通过直接拉伸一碳纳米管阵列获得。该有序碳纳米管薄膜包括多个沿拉伸方向定向排列的碳纳米管。所述碳纳米管均匀分布，且平行于碳纳米管薄膜表面。具体地，所述有序碳纳米管薄膜包括多个首尾相连且沿同一方向择优取向排列的多个碳纳米管163。该多个碳纳米管163之间通过范德华力连接，一方面，首尾相连的碳纳米管163之间通过范德华力连接，另一方面，择优取向的碳纳米管163之间通过范德华力连接，故，该有序碳纳米管薄膜具有很好地柔韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂，且采用该有序碳纳米管薄膜的电极具有较长的使用寿命。

所述有序碳纳米管薄膜是由碳纳米管阵列经进一步处理得到的，故其长度不限，宽度和碳纳米管阵列所生长的基底的尺寸有关，可根据实际需求制得。本实施例中，采用气相沉积法在4英寸的基底生长超顺排碳纳米管阵列。所述有序碳纳米管薄膜的宽度可为0.01厘米～10厘米，厚度为0.01微米～100微米。有序碳纳米管薄膜的厚度优选为0.1微米～10微米。

另外，所述有序碳纳米管薄膜还可以包括多个平行排列的长碳纳米管。该长碳纳米管的长度为1厘米～5厘米，直径为0.5纳米～50纳米。由于该长碳纳米管为单根碳纳米管，所以其电阻更小。所以采用该有序碳纳米管薄膜设置于反射层210或加热层204的表面做电极，可以更有效的传导电流，减少电能的损耗。

当所述碳纳米管结构包括至少两层重叠设置的有序碳纳米管薄膜时，相邻的有序碳纳米管薄膜之间通过范德华力紧密结合。进一步，该碳纳米管结构中的有序碳纳米管薄膜的层数不限，且相邻两层有序碳纳米管薄膜之间碳纳米管的排列方向形成一夹角α，0≤α≤90度，具体可依据实际需求制备。由于该有序碳纳米管薄膜中的碳纳米管沿同一方向定向排列，所以在碳纳米管排列方向具有优异的导电性。本实施例通过改变相邻两层有序碳纳米管薄膜之间的交叉角度α，可以使得该碳纳米管结构在各个方向都具有优异的导电性。本实施例中，优选交叉角度α＝90度。

当所述碳纳米管结构包括至少一碳纳米管长线时，该碳纳米管长线缠绕于加热层104的表面。所述碳纳米管长线可通过直接拉伸一碳纳米管阵列获得或拉伸一碳纳米管阵列后经过扭转纺纱获得。所述碳纳米管长线的直径为1纳米～100微米，其长度不限，可根据实际需求制得。请参见图4及图5，所述碳纳米管长线包括多个首尾相连的碳纳米管沿碳纳米管长线的轴向方向择优取向排列。具体地，该碳纳米管长线中的碳纳米管沿碳纳米管长线的轴向方向平行排列或沿碳纳米管长线的轴向方向螺旋排列。该碳纳米管长线中的碳纳米管之间通过范德华力紧密结合，所以碳纳米管长线具有一定的柔韧性。该碳纳米管的长度为200～900微米。

所述碳纳米管结构还可以包括多个碳纳米管长线，且多个碳纳米管长线交叉且重叠设置于加热层104的表面。该碳纳米管结构的长度、宽度以及厚度不限，可以根据实际需要制备。由于碳纳米管长线具有一定的柔韧性，所以该碳纳米管结构可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。

由于该碳纳米管长线中的碳纳米管沿着碳纳米管长线的长度方向排列，所以该碳纳米管长线沿着长度方向具有较小的电阻。所以将该碳纳米管长线缠绕于加热层104的表面做电极，可以有效的传导电流，节约电能。

当只有一个电极包括一碳纳米管结构时，另一电极采用金属片金属丝、金属膜或导电胶层等。本实施例优选地，第一电极110和第二电极112都采用碳纳米管结构制作，且该碳纳米管结构包括重叠且交叉设置的50层有序碳纳米管薄膜，相邻两层有序碳纳米管薄膜之间交叉的角度为90度。该碳纳米管结构中有序碳纳米管薄膜的长度为1厘米，宽度为1厘米，厚度为30微米。本实施例将两个上述碳纳米管结构分别间隔包裹于加热层104的表面。由于碳纳米管结构良好的导电性，使得碳纳米管结构与加热层104之间形成良好的电连接。

本实施例中，优选地，加热层104采用碳纳米管层。第一电极110和第二电极112都采用采用重叠且交叉设置的10层有序碳纳米管薄膜，相邻两层有序碳纳米管薄膜之间交叉的角度为90度。该结构可以减小加热层204与电极之间的欧姆接触电阻，提高对电能的利用率。

所述反射层108用于反射加热层104所发出的热量，使其有效地对空心基底102内部空间加热，因此，反射层108位于加热层104外围，设置于空心基底102的外表面。反射层108的材料为一白色绝缘材料，如：金属氧化物、金属盐或陶瓷等。反射层108通过溅射或涂敷的方法设置于空心基底102的外表面。本实施例中，反射层108的材料优选为三氧化二铝，其厚度为100微米～0.5毫米。该反射层108通过溅射的方法沉积于该空心基底102外表面。可以理解，该反射层108为一可选择结构，当空心热源100未包括反射层时，该空心热源100也可用于对外加热。

所述绝缘保护层106用来防止该空心热源100在使用时与外界形成电接触，同时还可以防止加热层104中的碳纳米管层吸附外界杂质，其设置于加热层104的内表面。所述绝缘保护层106的材料为一绝缘材料，如：橡胶、树脂等。所述绝缘保护层106厚度不限，可以根据实际情况选择。优选地，该绝缘保护层106的厚度为0.5～2毫米。该绝缘保护层106可通过涂敷或溅射的方法形成于加热层104的表面。可以理解，所述绝缘保护层106为一可选择结构。

本实施例所提供的空心热源100在应用时具体包括以下步骤：提供一待加热的物体；将待加热的物体设置于该空心热源100的中心；将空心热源100通过第一电极110与第二电极112连接导线接入1伏-20伏的电源电压后，加热功率为1瓦～40瓦时，该空心热源可以辐射出波长较长的电磁波。通过温度测量仪红外测温仪AZ8859测量发现该空心热源100的加热层104表面的温度为50℃～500℃，加热待加热物体。可见，该碳纳米管层具有较高的电热转换效率。由于加热层104表面的热量以热辐射的形式传递给待加热物体，加热效果不会因为待加热物体中各个部分因为距离空心热源100的不同而产生较大的不同，可实现对待加热物体的均匀加热。对于具有黑体结构的物体来说，其所对应的温度为200℃～450℃时就能发出人眼看不见的热辐射(红外线)，此时的热辐射最稳定、效率最高，所产生的热辐射热量最大。

该空心热源100在使用时，可以将其与待加热的物体表面直接接触或将其与被加热的物体间隔设置，利用其热辐射即可进行加热。该空心热源100可以广泛应用于如工厂管道、实验室加热炉或厨具电烤箱等。

本实施例中所提供的空心热源具有以下优点：其一，碳纳米管具有较低的电阻率，所以电极的电阻小，有利于节约能源。其二，碳纳米管具有优异的力学特性，使得碳纳米管结构具有很好的柔韧性和机械强度，故，采用碳纳米管结构作电极，可以相应提高空心热源的耐用性，空心热源的使用寿命长；其三，碳纳米管的密度低，所以空心热源的质量轻，使用方便。

本实施例所提供的空心热源100中，碳纳米管具有强的抗腐蚀性，使其可以在酸性环境中工作。而且，碳纳米管具有极强的稳定性，即使于3000℃以上的高温真空环境下工作而不会分解，使空心热源100可以在真空高温环境下工作。另外，碳纳米管比同体积的钢强度高100倍，重量只有其1/6，所以，采用碳纳米管结构作为电极的空心热源100具有更高的强度和更轻的质量。

请参见图6及图7，本技术方案第二实施例提供一种空心热源200，该空心热源200包括一空心基底202；一加热层204，该加热层204设置于该空心基底202的内表面；一反射层208，该反射层208位于加热层204的外围；一第一电极210及一第二电极212，第一电极210和第二电极212间隔设置于加热层204的表面，并分别与加热层204电连接；一绝缘保护层206，该绝缘保护层206设置于加热层104的内表面。第二实施例中所提供的空心热源200与第一实施例所提供的空心热源100的结构基本相同，其区别在于反射层208设置于空心基底202与加热层204之间，位于加热层104的外表面。所述空心基底202、加热层204、反射层208、第一电极210及第二电极212的结构和材料与第一实施例相同。

请参见图8及图9，本技术方案第三实施例提供一种空心热源300，该空心热源300包括一空心基底302；一加热层304；一反射层208；一第一电极210及一第二电极212，第一电极210和第二电极212间隔设置于加热层204的表面，并分别与加热层204电连接。第三实施例中的空心热源300和第一实施例中的空心热源100的结构基本相同，其区别在于，该加热层304设置于该空心基底202的外表面，该反射层208设置于加热层304的外表面，由于加热层304设置于空心基底302和反射层208之间，因此，无需绝缘保护层，且加热层304与反射层308的位置不同。第三实施例中的所述空心基底302、加热层304、反射层308的结构和材料与第一实施例相同。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (18)

1.一种空心热源，其包括：

一空心基底；

一加热层，该加热层设置于空心基底的表面；以及

至少两个电极，所述至少两个电极间隔设置于加热层的表面；

其特征在于，所述电极中的至少一个电极包括一碳纳米管结构。

2.如权利要求1所述的空心热源，其特征在于，所述的空心热源进一步包括一反射层，所述反射层设置于加热层的外围。

3.如权利要求2所述的空心热源，其特征在于，所述的空心热源进一步包括一绝缘保护层，该绝缘保护层设置于加热层的表面。

4.如权利要求3所述的空心热源，其特征在于，所述的加热层设置于空心基底的外表面，所述的反射层设置于加热层的外表面，加热层位于空心基底与反射层之间。

5.如权利要求3所述的空心热源，其特征在于，所述的加热层设置于空心基底的内表面，所述的反射层设置于空心基底的外表面，所述的绝缘保护层设置于加热层的内表面。

6.如权利要求3所述的空心热源，其特征在于，所述的加热层设置于空心基底的内表面，所述的反射层设置于加热层与空心基底之间，所述的绝缘保护层设置于加热层的内表面。

7.如权利要求2所述的空心热源，其特征在于，所述的反射层的材料为金属氧化物、金属盐或陶瓷。

8.如权利要求1所述的空心热源，其特征在于，所述碳纳米管结构包括至少一有序碳纳米管薄膜，且该有序碳纳米管薄膜包括多个碳纳米管沿同一方向排列。

9.如权利要求8所述的空心热源，其特征在于，所述的有序碳纳米管薄膜的厚度为0.01微米～100微米。

10.如权利要求8所述的空心热源，其特征在于，所述有序碳纳米管薄膜包括多个首尾相连且沿同一方向择优取向排列的碳纳米管。

11.如权利要求10所述的空心热源，其特征在于，所述的首尾相连的碳纳米管之间通过范德华力连接，择优取向的碳纳米管之间通过范德华力连接。

12.如权利要求1所述的空心热源，其特征在于，所述碳纳米管结构包括至少两个重叠设置的有序碳纳米管薄膜，且相邻两个有序碳纳米管薄膜之间通过范德华力紧密连接。

13.如权利要求12所述的空心热源，其特征在于，所述的碳纳米管结构中相邻的有序碳纳米管薄膜中的碳纳米管的排列方向形成一夹角α，0≤α≤90度。

14.如权利要求1所述的空心热源，其特征在于，所述碳纳米管结构包括至少一碳纳米管长线。

15.如权利要求14所述的空心热源，其特征在于，所述碳纳米管长线的直径为1纳米～100微米。

16.如权利要求14所述的空心热源，其特征在于，所述碳纳米管长线包括多个由首尾相连且沿碳纳米管长线的轴向方向择优取向排列的碳纳米管。

17.如权利要求16所述的空心热源，其特征在于，所述相邻的碳纳米管之间通过范德华力紧密结合。

18.如权利要求1所述的空心热源，其特征在于，所述空心基底的材料为柔性材料或硬性材料，且所述柔性材料为塑料或柔性纤维，所述硬性材料为陶瓷、玻璃、树脂、石英。

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